【研究報告】（自然科学部門）

高脂肪食下に 2 型糖尿病感受性遺伝子 GCN2 は
膵 β 細胞量の調節に関与する

神野

神戸大学大学院医学研究科糖尿病・内分泌内科学緒言

歩

博士課程

における GCN2 の活性が低下し、特に高脂肪食摂取や過近年、肥満や糖尿病人口の急速な増加は世界的に深刻食などを背景として耐糖能異常を発症している可能性がな問題であり、日本においても重大な問題となっていある。我々はさらに膵 β 細胞株にグルコース負荷を行うる。国民健康・栄養調査によると 1960 年代と比較してことにより GCN2 の活性が亢進し、この活性は蛋白翻訳日本人の総エネルギー摂取量は減少しているが、2010阻害剤により抑制されることを明らかにした。高脂肪食

年までに脂肪の摂取量が著明に増加し、総脂肪摂取率は飼育下ではマウスの膵 β 細胞においてインスリン合成が総エネルギー量の 1/4 前後を占めるようになっている。

亢進する8）。これらのデータより、GCN2 は膵 β 細胞にこのような食習慣の変化も一因となり、日本人の 2 型糖

おいてインスリン合成が亢進した際に活性化される可能尿病の有病率は増加していると考えられる。高脂肪食摂性を考えた。膵 β 細胞における GCN2 活性化機構につい取により肥満や 2 型糖尿病が増加することが示されていて明らかにし、膵 β 細胞における GCN2 の役割と 2 型糖

1）

る 。

尿病発症の関連について明らかにすることを研究の目的とした。

欧米人と比較すると日本人はより低い BMI で 2 型糖尿2）病を発症する症例が多く 、日本人には膵 β 細胞機能不結全を生じやすい遺伝的背景をもつ者が多いと考えられて
3）

果

1. GCN2 が mTORC1 活性を制御するメカニズムの解明いる 。2 型糖尿病患者では膵 β 細胞量が減少しているとの報告は多くあるが、我々の研究室では、膵 β 細胞量

GCN2 の 下 流 と し て 唯 一 報 告 さ れ て い る 経 路 は、の維持にインスリンシグナルが重要であり4）、その慢性

eIF2α のリン酸化と全般的な蛋白翻訳の低下、転写因子的な亢進はネガティブフィードバックを介し膵 β 細胞量

ATF4 の 選 択 的 な 翻 訳 促 進 で あ る9）。GCN2 の 下 流 でを減少させることを明らかにしている5）。

ATF4 の発現低下が mTORC1 活性調節に関わる可能性を考え、ラット膵 β 細胞株である INS-1 細胞においてGeneral control nonderepressible 2（GCN2）はアミノ酸欠乏を感知する分子であり、細胞内アミノ酸欠乏状態で増加した uncharged tRNA が結合することにより活性化される6）。日本人において GCN2 をコードする遺伝
子の SNP と 2 型糖尿病発症に有意な相関が報告された7）。マウスの各組織で比較したところ、GCN2は膵島に非常に多く発現していた。マウスを通常食で飼育した際に GCN2 は活性化されなかったが、高脂肪食で飼育した際に膵 β 細胞においてのみ活性化されることが明らかとなった。全身性 GCN2 欠損マウスを高脂肪食下に飼育すると、膵 β 細胞量が有意に減少し耐糖能の悪化が認められた。GCN2 欠損マウスの単離膵島においては

図1

mTORC1 活性の亢進とインスリンシグナルの減弱化がATF4 ノックダウン INS-1 細胞におけるインスリンシグナルの変化
ATF4 ノ ッ ク ダ ウ ン 細 胞（ATF4 KD）に お い て
mTORC1 活性の亢進、インスリンシグナルの減弱化が認められた。

認められ、膵 β 細胞量減少の原因であると考えられた。に変異をもつ 2 型糖尿病患者では膵 β 細胞
1

神

図2

野

歩

GCN2 ノックダウン INS-1 細胞（GCN2 KD、左）、GCN2欠損マウスの膵島（GCN2 KO、右）における GADD34、REDD1、Sestrin2 の発現いずれにおいても Sestrin2 の発現低下が認められた。

図4

通常食（Normal Chow）及び高脂肪食（High Fat）下飼育マウスの膵島におけるアミノ酸
高脂肪食下飼育マウスの膵島において多くのアミノ酸濃度が低下していた。

図3

Sestrin2 ノックダウン INS-1 細胞におけるインスリンシグナルの変化が活性化していたが、そのメカニズムを解析することをSestrin2 ノ ッ ク ダ ウ ン 細 胞（Sesn2 KD）に お い て
mTORC1 活性の亢進、インスリンシグナルの減弱化が認められた。

活性化のリガンドとなり得るアミノ酸とアミノアシル化目的とした。高脂肪食負荷マウスの膵島において GCN2tRNA の測定を行い、通常食下飼育マウスの膵島と比較した。
①マウス膵島とその他各組織におけるアミノ酸濃度の測

ATF4 をノックダウンした。その結果、ATF4 ノックダ

定ウン INS-1 細胞において mTORC1 活性の亢進とインス

通常食もしくは高脂肪食で飼育したマウスの膵島におリ ン シ グ ナ ル の 減 弱 化 が 認 め ら れ た（図 1）。 次 に、ける各アミノ酸濃度について質量分析を用いて測定しATF4 が転写を制御する分子の中に mTORC1 活性を調たところ、高脂肪食負荷マウスの膵島においては多く節する分子があるのではないかと考えた。既報からのアミノ酸濃度が低下していた（図 4）。一方、高脂10）11）

12）を候補とし GCN2 欠肪食負荷マウスの血清や肝臓においては多くのアミノ損マウスの膵島と GCN2 ノックダウン INS-1 細胞におい酸濃度が増加しており、視床下部においてはアミノ酸てこれら分子の発現を確認したところ、Sestrin2 の発現濃度にはほとんど変化が見られなかった。

REDD1 、GADD34 、Sestrin2②マウス膵島におけるアミノアシル化 tRNA の測定が低下していた（図 2）。したがって INS-1 細胞においてSestrin2 をノックダウンしたところ同様に mTORC1 活

通常食もしくは高脂肪食で飼育したマウスの膵島にお性亢進とインスリンシグナル減弱化が認められ（図 3）、ける各アミノアシル化 tRNA 量について質量分析法でGCN2、ATF4 の下流で Sestrin2 が mTORC1 活性を負に測定したところ高脂肪食負荷マウスの膵島ではアミノ制御していると考えられた。

アシル化 tRNA が全般的に減少していた。すなわち、高脂肪食負荷マウスの膵島では uncharged tRNA が増2.

膵 β 細胞における GCN2 活性化メカニズムの解明加していた（図 5）。

高脂肪食下に飼育されたマウスの膵島において GCN22

高脂肪食下に 2 型糖尿病感受性遺伝子 GCN2 は膵β細胞量の調節に関与する

図5

通常食（NCD）及び高脂肪食（HFD）下飼育マウスの膵島におけるアミノアシル化 tRNA
高脂肪食下飼育マウスの膵島において多くのアミノアシル化 tRNA が減少していた。

考要

察

約

本 研 究 に よ り、 膵 β 細 胞 に お い て GCN2 が ATF4 と日 本 人 に お い て GCN2 を コ ー ド す る 遺 伝 子 で あ る

Sestrin2 の発現を介して mTORC1 活性を負に制御するの SNP と 2 型糖尿病に有意な相関が報告されことが明らかとなった。また、通常食マウスと高脂肪食た。GCN2 はアミノ酸欠乏状態で活性化する分子であ負荷マウスの各組織における検討から、高脂肪食負荷マる。我々は全身性 GCN2 欠損マウスが耐糖能異常と膵 βウスにおいては膵島特異的にアミノ酸濃度が減少し細胞量の減少を示すことを明らかにした。高脂肪食下にuncharged tRNA が増加することによって GCN2 が活性飼育されたマウスの膵 β 細胞では全般的なアミノ酸濃度化したと考えられた。膵 β 細胞においては大量のインスが低下し、uncharged tRNA が増加して野生型マウスでリン合成が必要でありそれに伴ってアミノ酸が消費されは GCN2 が活性化するが、GCN2 欠損マウスにおいてはてアミノ酸が減少した可能性を第一に考えている。アミ

GCN2 が活性化しないために ATF4、Sestrin2 の発現がノ酸欠乏を感知する分子である GCN2 が膵 β 細胞におい低下し mTORC1 活性が慢性的に亢進する。mTORC1 活て高脂肪食という栄養過剰状態で活性化され、同様にア性の亢進はネガティブフィードバックを起こしてインスミノ酸を感知するシグナルである mTORC1 シグナルをリンシグナル減弱化させ GCN2 欠損マウスにおける膵 β調節していることは非常に興味深いと考える。

細胞量減少が引き起こされたと考えられる。に SNP をもつヒトでは高脂肪食摂取や過食を背景に耐今までのデータと合わせると、高脂肪食下に膵 β 細胞糖能異常を発症している可能性がある。

でインスリンの翻訳が亢進し、アミノ酸濃度が低下してuncharged tRNA が増加すると GCN2 がリン酸化する。

謝

リ ン 酸 化 し た GCN2 は ATF と Sestrin2 を 発 現 さ せ、

辞mTORC1 活性を適度に抑制しているが、GCN2 欠損マウ

本研究を遂行するにあたり、研究助成を賜りました公スの膵島においてはアミノ酸の低下、uncharged tRNA

益財団法人三島海雲記念財団ならびに関係者の皆様に深の増加を感知することが出来ず ATF4、Sestrin2 の発現く感謝申し上げます。

低下から mTORC1 活性が亢進し、慢性化することに文

よって negative feedback を介しインスリンシグナルが減弱化、膵 β 細胞量の減少に至ったものと考えられる。

献1） B. Vessby, et al.:3, 43, 1353–1357, 1994.

神2） K. H. Yoon, et al.:
3） R. C. Ma, et al.:4） N. Hashimoto, et al.:
5） Y. Shigeyama, et al.:
6） R. C. Wek, et al.:4583, 1989.
7） K. Yasuda, et al.:野歩, 368, 1681–1688, 2006.
, 1281, 64–91, 2013.
, 38, 589–593, 2006.
. 28, 2971–2979, 2008.
, 86, 4579–8） A. Kanno, et al.:681–686, 2015.
9） B. A. Castiho, et al.:1948–1968, 2014.
10） M. P. DeYoung, et al.:11） R. Watanabe, et al.:
12） L. Chantrranupong, et al.:., 40, 1092–1097, 2008.

4., 458,., 1843,., 22, 239–251, 2008.
, 19, 475–483, 2007.
., 9, 1–8, 2014.